Development of Neuroscience-Based Methods for Detection of Consciousness in Severely Brain Injured Patients

Abstract

Neurologists routinely use visual, auditory, tactile, or noxious stimuli to examine the purposeful motor responses indicating awareness in patients with disorders of consciousness (DOC), however with a high rate of misdiagnosis. Previous studies have shown that functional neuroimaging can be used to detect conscious awareness in this patient group because some patients fulfilling the clinical criteria for a diagnosis of vegetative state [VS; recently renamed as unresponsive wakefulness syndrome (UWS)] exhibited purposeful activity manifested in cerebral activation, rather than in the overt motor responses. For example the UWS patient in the study of Owen et al. (2006) was obviously able to follow instructions. It is possible, however, that patients who cannot follow instructions (e.g., due to limited memory/attention capacities) are nevertheless conscious and retain emotional abilities to feel pain and pleasure. With this in mind, a hierarchical functional neuroimaging approach was developed in the present study, starting with the simplest form of processing within the domain of pain perception, then progressing to emotional processes of pain cries from other persons and ending with the more complex and demanding mental imagery task.

Brain responses were acquired from a group of 54 non-traumatic brain-injured patients with a clinical diagnoses of UWS (N = 30) or minimally conscious state (MCS; N = 24). A range of patterns of activations was observed: while some patients did not show significant responses in any of the three experimental paradigms, others, including patients diagnosed as being in UWS, demonstrated significant responses in appropriate neuroanatomical locations, that were virtually indistinguishable from those obtained from a group of 15 healthy volunteers performing the same task (Responder in patients: 59.3% in pain experiment, 46.3% in emotional experiment, 13% in mental imagery task).

The data indicate that some DOC patients retain islands of residual function and that in the absence of behavioural response, functional neuroimaging provides an additional tool for the assessment team. More importantly, the present study provides clear evidence that the higher cognitive functions such as attention, working memory or language comprehension do not make the whole of human consciousness. There are more basic and probably simpler cognitive functions which processes not only the own pain, but also the pain of others. This so called affective consciousness can survive even very severe brain damage, suggesting that for many DOC patients, an emotional contact with caregivers might be established to improve their quality of life.

Neurologen verwenden routinemäßig visuelle, auditive, taktile oder noxische Reize bei Patienten mit Bewusstseinsstörungen, um die gezielten motorischen Reaktionen auszulösen, von denen man annimmt, dass diese Bewusstsein widerspiegeln. Diese Methode ist leider sehr fehleranfällig und somit werden Patienten häufig falsch diagnostiziert. Studien in der Vergangenheit haben gezeigt, dass die funktionelle Bildgebung zur Untersuchung des aktuellen Bewusstseinszustand in dieser Patientengruppe eingesetzt werden kann weil Patienten im "vegetativen Zustand" [VS; neu eingeführte Bezeichnung "unresponsive wakefulness syndrome" (UWS)] aufgabenspezifische Gehirnaktivitätsmustern zeigten. Kürzlich beschrieb Adrian Owen in seiner Studie eine UWS Patientin, die offensichtlich in der Lage war, Anweisungen zu befolgen, was ein eindeutiger Hinweis auf ein intaktes Bewusstsein ist. Allerdings müssen vor allem negative Ergebnisse der funktionellen Bildgebung mit großer Vorsicht interpretiert werden. Eine fehlende Aktivierung heißt nicht zwangsläufig dass der Patient kein Bewusstsein mehr aufweist, sondern es ist durchaus möglich dass der Patient, der Anweisungen nicht folgen konnte, z.B. aufgrund begrenzter Gedächtnisleistung oder Aufmerksamkeitskapazitäten, dennoch die Fähigkeit besitzt, emotionale Reize wie Schmerz und Freude zu empfinden. Deshalb wurden im Sinne eines hierarchischen Ansatzes eine Reihe von Experimenten entwickelt: einmal die einfachste Form der Verarbeitung der Schmerzreize, dann die emotionalen Reaktionen auf schmerzvolle Schreie anderer Personen und zuletzt eine komplexe und anspruchsvolle Aufgabe der mentalen Vorstellung.

In einer Gruppe von 54 nicht traumatischen Patienten mit einer klinischen Diagnose von UWS (N = 30) oder minimal bewusstem Zustand (MCS; N = 24) wurde die Gehirnaktivität gemessen. Es zeigten sich unterschiedliche Aktivierungsmustern: Einige Patienten zeigten keine signifikanten Reaktionen bei allen drei Experimenten, hingegen andere, darunter auch Patienten, die als UWS diagnostiziert wurde, wiesen ähnliche Reaktionen wie die gesunden Probanden (Anzahl positiver Ergebnisse bei Patienten: 59,3% beim Schmerzexperiment, 46,3% beim Emotions-Experiment, 13% bei der mentalen Vorstellungsaufgabe) auf.

Die Ergebnisse zeigen, dass einige Patienten residuale kognitive Funktionen besitzen, obwohl sie diese nicht motorische ausdrücken können. Außerdem zeigen die Daten der vorliegenden Arbeit, dass die funktionelle Bildgebung eine zusätzliche Methode für die klinische Untersuchung ist. Darüber hinaus liefert die vorliegende Studie klare Belege dafür, dass die höheren kognitiven Funktionen wie Aufmerksamkeit, Arbeitsgedächtnis oder Sprachverständnis nicht notwendigerweise das ganze menschliche Bewusstsein widerspiegeln. Es gibt grundlegende und wahrscheinlich auch einfachere kognitive Funktionen, die nicht nur den eigenen Schmerz, sondern auch den Schmerz von anderen verarbeiten. Dieses so genannte affektive Bewusstsein kann trotz schweren Hirnschäden vorhanden sein, was darauf hindeutet, dass für viele Patienten einen emotionalen Kontakt mit dem Betreuungsteam hergestellt werden könnte, um ihre Lebensqualität zu verbessern.